O que é a impressão 3D SLS e como ela funciona?

A Sinterização Seletiva a Laser (SLS) é uma das tecnologias de impressão 3D mais comuns na prototipagem rápida. Essa tecnologia utiliza um laser para interagir com um material em pó e construir peças camada por camada. Este artigo explica o princípio básico da impressão 3D por Sinterização Seletiva a Laser (SLS), descreve como a tecnologia funciona, apresenta o processo completo, identifica materiais adequados e discute suas aplicações.

Visão geral da impressão 3D SLS

A Sinterização Seletiva a Laser (SLS) é uma tecnologia de manufatura aditiva que utiliza um laser para interagir com material em pó e construir peças camada por camada. Geralmente, utiliza um laser de CO₂ como fonte de energia. De acordo com os dados das camadas inseridos pelo computador, o laser escaneia e sinteriza seletivamente cada camada. A SLS é uma tecnologia de manufatura aditiva altamente flexível e adaptável. Ela supera as limitações da conformação de materiais tradicional e da manufatura subtrativa. Não necessita de moldes ou estruturas de suporte. O processo consiste em adicionar material para formar a peça. Apresenta vantagens como alta liberdade de design, ciclo de desenvolvimento de produto curto e baixo custo de fabricação. Permite a produção rápida de peças complexas em polímero, metal e cerâmica.

Princípio da Sinterização Seletiva a Laser

Antes da digitalização, a tecnologia SLS precisa pré-aquecer o pó a uma temperatura abaixo do seu ponto de fusão. Isso reduz a deformação térmica e os problemas de aderência do pó durante a digitalização a laser, além de auxiliar na adesão entre as camadas. O software controla a operação do laser, o ajuste de potência, o pré-aquecimento do pó, o rolo espalhador de pó e o movimento do cilindro de pó.

Após configurar os parâmetros do processo a laser, como potência, velocidade de varredura, espaçamento entre varreduras e espessura da camada, o computador controla o laser para emitir um feixe de alta precisão. O laser varre seletivamente a camada de pó de acordo com os dados do modelo tridimensional em camadas inseridos. A área varrida na camada de pó absorve a energia do laser e a temperatura começa a subir. Quando a temperatura atinge o ponto de amolecimento ou fusão do material em pó, o pó varrido começa a fluir. As partículas individuais de pó começam a entrar em contato umas com as outras, formando gargalos de sinterização e se unindo. As áreas não varridas permanecem em forma de pó e servem de suporte para as áreas varridas.

Após o laser terminar de escanear a área especificada, parte do calor é transferida para a camada de pó inferior por condução térmica, o que cria uma ligação entre a camada atual e a camada abaixo. O calor restante dissipa-se lentamente por convecção e radiação na superfície. A temperatura começa a cair e as partículas de pó esfriam e solidificam gradualmente. As partículas de pó na área escaneada se unem para formar o contorno desejado.

Após o laser concluir a varredura de uma camada, o cilindro de construção desce a espessura de uma camada, enquanto o cilindro de alimentação de pó sobe a uma altura correspondente. O rolo de distribuição de pó então se move e gira em direção ao cilindro de construção, empurrando o excesso de pó do cilindro de alimentação para a superfície do cilindro de construção, formando uma nova camada de pó com a espessura exata. A próxima camada é então sinterizada. Esse processo se repete camada por camada até que toda a peça esteja concluída.

Quando todas as seções estiverem sinterizadas, a peça impressa é removida do leito de pó. O pó não sinterizado na superfície e no interior de estruturas complexas é cuidadosamente removido. Em seguida, etapas de pós-processamento, como lixamento e secagem, são realizadas para obter a peça sólida tridimensional final.

Sendo uma tecnologia de fabricação rápida completamente diferente da fabricação subtrativa tradicional, a SLS apresenta muitas vantagens na produção de peças:

• Ampla gama de fontes de materiais. Em teoria, qualquer material em pó que possa atingir a ligação de partículas após a sinterização a laser pode ser usado como material SLS.
• Processo de fabricação simples. Todo o processo é controlado por computador. Apenas o projeto do modelo e a preparação da matéria-prima são necessários para formar a peça no equipamento SLS. O processo de fabricação é relativamente simples.
• Precisão de conformação relativamente alta. A precisão da peça conformada depende da precisão da varredura a laser e do tamanho da zona afetada pelo calor, que podem ser ajustados alterando os parâmetros do processo.
• Ideal para a produção de peças com formatos complexos sem a necessidade de estruturas de suporte ou moldes. O pó não sinterizado nas áreas não escaneadas permanece e serve de suporte para as camadas salientes. Não são necessários moldes, permitindo a criação de peças com formatos bastante complexos.
• Alta taxa de utilização de material. O pó não utilizado após uma impressão pode ser reutilizado, o que melhora a utilização do material e reduz os custos.

Processo de Sinterização Seletiva a Laser

A tecnologia de sinterização a laser permite agora o uso de diversos materiais em pó para produzir peças com os materiais correspondentes. Como o processo é consolidado, as peças impressas geralmente apresentam boa precisão e alta resistência. No entanto, a maior vantagem da SLS é a capacidade de imprimir diretamente peças metálicas acabadas. Os componentes impressos atendem diretamente aos requisitos de teste. A tecnologia de sinterização a laser permite a sinterização direta ou indireta de peças metálicas, e a resistência final do material é muito superior à de outras tecnologias de impressão 3D.

De acordo com o princípio do processo SLS apresentado anteriormente, o processo específico pode ser resumido da seguinte forma:

1. Durante o processo de impressão, toda a câmara de impressão é mantida a uma temperatura ligeiramente abaixo do ponto de fusão do material em pó.
2. Espalhe o pó do material sobre a superfície superior da peça já formada e nivele-o.
3. Utiliza-se um laser de CO₂ de alta intensidade para irradiar a seção da camada da peça sobre a camada recém-depositada. O pó do material é sinterizado sob o laser de alta intensidade e se liga à peça previamente formada abaixo.
4. Após a sinterização de uma camada, o sistema de dispersão de pó espalha uma nova camada de material em pó e, em seguida, a próxima camada é impressa.

Embora a tecnologia de sinterização a laser apresente vantagens muito óbvias, também possui desvantagens. Primeiro, a sinterização do pó resulta em uma superfície rugosa que necessita de lixamento posterior. Segundo, requer lasers de alta potência, o que implica em custos mais elevados de equipamento e manutenção, além de componentes de proteção e controle adicionais. A complexidade técnica geral do equipamento é alta e a fabricação é difícil. Usuários comuns não têm condições de adquiri-la, o que dificulta sua adoção em larga escala.

Parâmetros do processo de sinterização seletiva a laser

Peças impressas em SLS de boa qualidade precisam de precisão e resistência adequadas. Se a precisão for insuficiente, a peça final não atenderá aos requisitos. Se a resistência for muito baixa, ela não conseguirá manter formas complexas ou passar por pós-processamento, o que pode levar a danos na peça ou resistência insuficiente. Somente quando as partículas de pó estiverem completamente amolecidas e aglomeradas é que a resistência da peça formada poderá ser melhorada. Isso requer calor suficiente na área de sinterização a laser para fundir as partículas de pó. No entanto, uma densidade de energia do laser muito alta criará uma grande zona afetada pelo calor por meio da condução térmica, causando maiores erros dimensionais e menor precisão de formação. Portanto, o efeito da densidade de energia do laser na resistência e na precisão deve ser considerado em conjunto para definir parâmetros de processo adequados.

Poder do laser

A energia emitida pelo laser é determinada principalmente pela sua potência. O calor proveniente do laser ao incidir sobre o pó segue três caminhos: é absorvido pelo pó na área selecionada, conduzido para as áreas circundantes ou dissipado para o ar por convecção, radiação e reflexão. O feixe de laser é uma fonte de calor em movimento, e seu tempo de interação com o pó geralmente dura apenas alguns milissegundos a dezenas de milissegundos. Assim, o pó aquece e esfria rapidamente. Durante o aquecimento, propriedades térmicas como a taxa de absorção do laser, a refletividade e a condutividade térmica do material em pó variam com a temperatura. A temperatura em cada ponto dentro do pó também varia constantemente. Trata-se de um processo de transferência de calor muito complexo e instável.

Velocidade de digitalização

No processo de sinterização a laser, quando o laser varre o plano de trabalho, as partículas de pó derretem, fluem e se unem. O laser varre ponto a ponto, formando linhas; em seguida, linha a linha, formando superfícies; e, finalmente, camada a camada, formando um sólido. Quando a velocidade de varredura diminui, a densidade de energia do laser aumenta, e a energia absorvida pelo material próximo ao ponto de varredura também aumenta. Isso amplia a largura e a profundidade da zona de fusão, o que contribui para aumentar a resistência da peça formada. Como a largura e a profundidade da zona de fusão afetam significativamente o espaçamento entre as varreduras e a espessura de cada camada, a velocidade de varredura deve ser ajustada a esses dois parâmetros. Uma velocidade de varredura menor reduz a eficiência da fabricação. Além disso, quando o laser varre as bordas, o aumento da largura da zona de fusão amplia a zona afetada pelo calor, o que reduz a precisão da peça formada.

Espaçamento de digitalização

O espaçamento de varredura é a distância entre duas linhas de varredura. Durante a varredura a laser, apenas o pó nas áreas delimitadas pelas linhas de varredura precisa se unir. O campo de temperatura na área de varredura deve afetar o pó ao redor o mínimo possível. O espaçamento de varredura geralmente é escolhido para ser ligeiramente menor que o diâmetro do ponto do laser. Isso cria uma pequena sobreposição entre as linhas de varredura adjacentes, sem criar limites de união óbvios em uma única camada. Isso torna a união da camada única mais uniforme e impede que o campo de temperatura afete muito as áreas circundantes, garantindo melhor precisão dimensional da peça verde.

Espessura de camada única

A espessura de camada única refere-se à espessura de espalhamento do pó, ou seja, à altura que o cilindro de construção desce a cada deposição. A distribuição da densidade de energia do laser diminui na direção da espessura, portanto, a espessura da camada sinterizável é muito limitada. Uma espessura de camada muito grande resultará em uma ligação fraca entre as camadas, podendo causar delaminação da peça ou redução da resistência na direção da altura. Uma espessura de camada muito pequena fará com que parte do pó já sinterizado seja ressinterizado, afetando a qualidade da conformação. O rolo de espalhamento de pó aplica pressão descendente sobre o pó, o que ajuda a aumentar a densidade de compactação do pó. Portanto, quanto menor a espessura de camada única, maior a densidade da peça sinterizada. Há também uma força horizontal que pode causar um ligeiro desalinhamento entre as camadas e reduzir a precisão. Especialmente para peças com superfícies curvas, a sinterização a laser produz superfícies escalonadas que não apresentam transições suaves, reduzindo a precisão da superfície e da forma.

Para peças com superfícies curvas, o erro produzido durante a sinterização a laser está relacionado tanto à inclinação da curva quanto à espessura da camada. O aumento da espessura da camada torna o efeito de escada mais evidente, aumentando os erros de volume, forma e tamanho entre a peça sinterizada real e a peça projetada. Portanto, ao sinterizar peças com superfícies curvas, a espessura da camada deve ser reduzida adequadamente e a direção do processo deve ser cuidadosamente escolhida para se obter maior precisão.

Diâmetro do ponto do laser

Quando o feixe de laser atinge a superfície do pó, forma um ponto de determinado tamanho. Ao sinterizar o pó com o feixe de laser, ocorre um desvio entre a linha de contorno da peça formada e a trajetória de varredura do centro do ponto, fazendo com que o contorno externo da peça pareça ligeiramente maior. Além disso, o ponto pode arredondar cantos vivos da peça, afetando a precisão da forma. A influência do tamanho do ponto na precisão da formação mascara parcialmente a influência do tamanho das partículas de pó. O diâmetro do ponto do laser também tem um grande efeito na eficiência da formação. Para a mesma velocidade de varredura, um diâmetro de ponto maior melhora a uniformidade da distribuição da densidade de energia, permite um espaçamento de varredura maior e ajuda a aumentar a eficiência. Um diâmetro de ponto menor ajuda a melhorar a resistência da ligação entre as camadas e as propriedades mecânicas da peça. O uso da tecnologia de ponto variável permite a varredura com um ponto pequeno nas bordas e com um ponto grande no interior. Isso melhora a eficiência da varredura, reduz a deformação e ainda produz peças de alta resistência.

Materiais para sinterização seletiva a laser

A tecnologia SLS é uma tecnologia de manufatura aditiva baseada em leito de pó, portanto, as características do material em pó têm grande influência no desempenho das peças produzidas por SLS. Dentre elas, o tamanho, a distribuição e a forma das partículas de pó são os fatores mais importantes. A tecnologia SLS possui uma ampla gama de materiais para conformação. Muitos materiais para SLS foram desenvolvidos no Brasil e no exterior. De acordo com suas propriedades, eles podem ser divididos em: materiais à base de metal, materiais à base de cerâmica, materiais poliméricos, etc.

Materiais Poliméricos

Uma das principais vantagens da tecnologia SLS é a capacidade de processar uma variedade de materiais, incluindo polímeros, metais e cerâmicas. Comparados a metais e cerâmicas, os materiais poliméricos apresentam vantagens como menor temperatura de conformação, menor potência do laser de sinterização e maior precisão. Foram os primeiros e mais bem-sucedidos materiais utilizados na impressão SLS e ainda ocupam uma posição importante. A diversidade de tipos, desempenho e tecnologias de modificação oferece um amplo leque de possibilidades para sua aplicação na SLS. A tecnologia SLS exige que os materiais poliméricos sejam transformados em pó sólido com tamanho médio de partícula entre 10 e 100 μm. Após absorverem a energia do laser, esses materiais devem fundir (ou amolecer, reagir) e se unir sem sofrer degradação significativa. Atualmente, os principais materiais poliméricos utilizados na SLS são os termoplásticos e seus compósitos. Os termoplásticos podem ser divididos em tipos cristalinos e amorfos.

Polímeros Amorfos

Os polímeros amorfos começam a apresentar movimento ativo da cadeia molecular na temperatura de transição vítrea (Tg), e o pó começa a se aglomerar com fluidez reduzida. Portanto, durante a sinterização seletiva a laser (SLS), a temperatura de pré-aquecimento do pó de polímero amorfo não pode exceder a Tg. Para reduzir a deformação da peça sinterizada, geralmente é definida ligeiramente abaixo da Tg. Quando o material absorve a energia do laser, a temperatura sobe acima da Tg e ocorre a sinterização. Os polímeros amorfos têm alta viscosidade na Tg, e a taxa de sinterização é inversamente proporcional à viscosidade. Isso resulta em uma taxa de sinterização muito baixa, baixa densidade e resistência da peça sinterizada (estrutura porosa), mas alta precisão dimensional. Em teoria, o aumento da densidade de energia do laser pode aumentar a densidade, mas, na prática, uma densidade de energia excessivamente alta geralmente causa decomposição severa do polímero, reduzindo a densidade. Também intensifica a sinterização secundária e reduz a precisão. Portanto, os polímeros amorfos são geralmente usados ​​para fabricar peças que não exigem alta resistência, mas necessitam de alta precisão dimensional. Os polímeros amorfos comuns usados ​​em SLS incluem policarbonato (PC), poliestireno (PS), poliestireno de alto impacto (HIPS) e polimetilmetacrilato (PMMA).

Polímeros Cristalinos

A temperatura de sinterização de polímeros cristalinos é superior à temperatura de fusão (Tm). Acima da Tm, os polímeros cristalinos apresentam viscosidade de fusão muito baixa, resultando em alta taxa de sinterização e alta densidade das peças sinterizadas, geralmente acima de 95%. Portanto, quando o material possui alta resistência intrínseca, as peças sinterizadas de polímero cristalino apresentam alta resistência. No entanto, os polímeros cristalinos sofrem grande contração durante a fusão e a cristalização, e a contração volumétrica causada pela sinterização também é muito grande. Isso os torna propensos a deformações por empenamento durante a sinterização, resultando em menor precisão dimensional. Atualmente, o náilon é o polímero cristalino mais comumente usado em SLS. Outros polímeros cristalinos, como polipropileno, polietileno de alta densidade e poliéter éter cetona, também são utilizados na tecnologia SLS.

Os produtos de polímeros termoplásticos industriais geralmente são grânulos. Polímeros granulares precisam ser transformados em pó antes de serem utilizados no processo de SLS (Sinterização Seletiva a Laser). Os materiais poliméricos possuem viscoelasticidade. Quando triturados à temperatura ambiente, o calor gerado aumenta a viscoelasticidade, dificultando a trituração. As partículas trituradas também podem se aglomerar novamente, reduzindo a eficiência da trituração e até mesmo causando estiramento por fusão. Portanto, os métodos convencionais de trituração não produzem pó adequado para SLS. O principal método para preparar pó de polímero em escala micrométrica é a moagem criogênica. Este método utiliza a fragilidade em baixas temperaturas dos materiais poliméricos para preparar o pó. Materiais poliméricos comuns, como poliestireno, policarbonato, polietileno, polipropileno, polimetacrilatos, náilon, ABS e poliéster, podem ser transformados em pó utilizando moagem criogênica.

Materiais em pó à base de cerâmica

Como os materiais cerâmicos possuem pontos de fusão muito altos, é difícil fundi-los diretamente com lasers. Peças cerâmicas também são fabricadas utilizando métodos indiretos. Durante a conformação por SLS (Sinterização Seletiva a Laser), o laser funde o aglutinante, que une o pó cerâmico para obter a forma desejada. Em seguida, etapas de pós-processamento, como infiltração ou prensagem isostática, são utilizadas para conferir à peça cerâmica densidade e resistência suficientes. Se for adicionado pouco aglutinante, a união das partículas cerâmicas torna-se difícil, podendo causar delaminação. Se for adicionado em excesso, a fração volumétrica de cerâmica no corpo verde torna-se muito pequena, podendo causar fissuras, contração e deformação durante a remoção do aglutinante. Os métodos de adição de aglutinante incluem principalmente a mistura mecânica e o revestimento. O método de revestimento geralmente é realizado por dissolução, precipitação ou evaporação do solvente.

Materiais em pó à base de metal

A sinterização seletiva a laser (SLS) consiste na conformação indireta de pó metálico através da mistura uniforme do pó metálico com pó polimérico (aglutinante). A energia do laser é absorvida pelo material em pó, causando um aumento de temperatura que amolece ou funde o aglutinante polimérico, transformando-o em um fluido viscoso que une o pó metálico para formar a peça metálica inicial. Em seguida, são utilizados processos de desaglutinação, sinterização em alta temperatura, infiltração metálica ou impregnação com resina para obter a peça metálica final.

Além disso, outro método utiliza pós metálicos de baixo ponto de fusão, como Cu e Sn, como aglutinantes para preparar peças metálicas compostas. Esse tipo de aglutinante permanece na peça verde após a conformação. Como o próprio aglutinante metálico de baixo ponto de fusão possui alta resistência, a peça verde apresenta alta densidade e resistência, permitindo a obtenção de peças metálicas de alto desempenho sem a necessidade de etapas de desaglutinação ou sinterização em alta temperatura. Com o desenvolvimento da tecnologia SLM, a pesquisa sobre a preparação de peças metálicas utilizando SLS está se tornando menos comum.

Aplicações da Sinterização Seletiva a Laser

Padrões de Fundição de Investimento

Utilizando equipamentos SLS de grande porte, é possível formar padrões de fundição de precisão complexos e moldes de areia em poucos dias ou até mesmo horas. Durante a formação, sob uma temperatura de pré-aquecimento predefinida, uma camada de pó é espalhada sobre a mesa de trabalho com um rolo espalhador. Em seguida, o feixe de laser, controlado por computador, escaneia o pó nas áreas sólidas, de acordo com as informações do contorno da seção transversal do padrão ou molde de areia. Isso eleva a temperatura do pó até o ponto de fusão, fundindo os limites das partículas e unindo o pó. O pó nas áreas não sinterizadas permanece solto, servindo de suporte para a peça e para a próxima camada. Após a formação de uma camada, a mesa de trabalho desce a altura de uma camada, e a próxima camada de pó é espalhada e sinterizada. Esse ciclo se repete para formar o padrão tridimensional e o molde de areia. Os padrões e moldes de areia formados rapidamente são então utilizados em fundição de precisão e fundição em areia para produzir componentes essenciais para importantes setores, como aeroespacial, militar, naval, automotivo e de máquinas-ferramenta na China. Isso reduz as etapas do processo, encurta os ciclos, diminui os custos e atinge o objetivo de "reduzir pela metade o custo e o tempo de ciclo" na fundição, aprimorando a tecnologia tradicional de fundição. Portanto, o uso da SLS para fabricar núcleos de areia revestidos tem amplas perspectivas na fundição.

Biomanufatura

A utilização da sinterização seletiva a laser (SLS) para a formação de biopolímeros para implantes médicos personalizados e estruturas de engenharia de tecidos é atualmente um dos principais focos de pesquisa na área de SLS. Através do projeto assistido por computador, a tecnologia SLS permite a produção de estruturas de tecido porosas tridimensionais e implantes biológicos personalizados com estrutura e propriedades mecânicas controláveis. Ela possibilita o controle eficaz da porosidade, formato e tamanho dos poros, bem como da estrutura externa, promovendo a adesão, diferenciação e proliferação celular, além de melhorar a biocompatibilidade da estrutura. Atualmente, os biopolímeros adequados para SLS são principalmente materiais poliméricos sintéticos, incluindo ácido poli-L-láctico (PLLA), policaprolactona (PCL), poliéter éter cetona (PEEK), álcool polivinílico (PVA), etc. Esses materiais são frequentemente combinados com materiais cerâmicos bioativos, como hidroxiapatita (HAp) ou β-fosfato tricálcico (β-TCP), para obter boa bioatividade.

Peças funcionais de polímero

As peças de polímero formadas por SLS apresentam bom desempenho e podem ser usadas diretamente como componentes plásticos funcionais. Os materiais utilizados na conformação por SLS são principalmente termoplásticos e seus compósitos. Os termoplásticos podem ser divididos em tipos cristalinos e amorfos. Como os polímeros cristalinos e amorfos possuem propriedades térmicas completamente diferentes, existem grandes diferenças nas configurações dos parâmetros de sinterização a laser e no desempenho das peças.

Tolerância e Capacidades

Na Getzshape, nosso serviços de impressão 3D personalizados Abrangemos quatro tecnologias principais: SLA, SLS, SLM e FDM. Nossas tolerâncias e capacidades de impressão 3D SLS estão listadas abaixo.

Acabamentos de superfície para componentes impressos em SLS

TingimentoSendo o método de coloração mais eficiente e econômico, o tingimento é utilizado principalmente para aprimorar o apelo estético dos componentes SLS. Ele garante a penetração uniforme da cor sem alterar as dimensões da peça.

• Materiais compatíveis: PA12, PA12-GF, TPU
• Paleta de cores: Preto, Pantone e gama RAL.

Pintura por pulverizaçãoPara aplicações onde o tingimento não é viável ou acabamentos específicos são necessários, a pintura por pulverização surge como uma alternativa altamente versátil. Ela proporciona correspondência precisa de cores e cobertura superior da superfície, resultando em um visual sofisticado.

• Materiais compatíveis: Todos os materiais SLS
• Paleta de cores: Preto, Pantone e gama RAL.

Suavização de VaporEste processo refina e sela a superfície das peças fabricadas por SLS através de um tratamento químico com vapor. Ao eliminar a porosidade superficial e reduzir os pontos de iniciação de trincas, ele aumenta significativamente o desempenho mecânico — especificamente o alongamento na ruptura, a resistência ao impacto e a resistência à fadiga.

• Materiais compatíveis: PA12, TPU